在應對全球氣候變化與農業可持續發展的挑戰中，如何通過農業管理措施提升土壤碳匯能力、優化碳循環過程，成為保障土壤生態功能與資源高效利用的核心問題。作物通過光合作用固定大氣中的CO?(光合碳)是土壤碳固存的重要前體，而秸稈還田作為典型的保護性農業措施，既能補充土壤碳源與養分，又能激活土壤食物網。為此，中國科學院沈陽應用生態研究所土壤健康維持機制與生物調控途徑創新組群在遼寧沈陽農田生態系統國家野外觀測研究站，利用田間試驗與13C同位素標記微區試驗(圖1)，系統探究了秸稈還田條件下土壤食物網介導的光合碳轉化及土壤碳固存的調控機制。

圖1標記同位素碳在作物-土壤-土壤食物網中流動、轉化和固存過程的概念圖

主要的研究亮點如下：

秸稈還田提升土壤有機碳、重塑土壤食物網、激發光合碳的高效轉化

秸稈還田使土壤顆粒有機碳(POC)和礦物結合態有機碳(MAOC)含量顯著提高 30.96% 和 11.39%，同時也改變了土壤食物網生物群落組成，微生物、小型和中型土壤動物間形成更緊密的營養級聯關系。秸稈還田通過“原生碳分解”與“新碳輸入”的共同作用，激發了光合碳向土壤中的輸入轉化以及土壤碳固持。

小型土壤動物作為“橋梁”是碳轉化更新的核心調控者

對土壤碳更新貢獻的量化分析顯示，與土壤微生物和中型土壤動物相比，小型土壤動物(線蟲)對土壤碳更新的貢獻率更高，達 60.52%(圖2)。小型土壤動物作為“中介者”在土壤微生物和中型土壤動物之間搭建了一個橋梁，通過增強土壤食物網內部的協同效應促進了土壤活性碳(POC)與穩定碳(MAOC)的周轉，影響二者之間的權衡關系，成為碳轉化的核心調控者。

圖2 13C的相對轉化率以及土壤食物網各類群對碳轉化的相對貢獻

作物-土壤-土壤食物網協同驅動和調控碳固存過程

對光合碳轉化路徑的追蹤結果表明，光合碳通過“作物→土壤→土壤食物網”這一鏈條進行高效周轉，同時細菌分解通道促進了 POC 的快速更新，真菌分解通道促進了 MAOC的穩定積累(圖3)。作物-土壤-土壤食物網的協同效應，促進了光合碳在土壤生態系統中的轉化和固存。

圖3秸稈還田(SR)條件下土壤食物網不同營養類群對顆粒有機碳(POC)

和礦物結合態有機碳(MAOC)的作用

綜上，該研究率先明確了“秸稈還田→土壤食物網重構→光合碳高效轉化→土壤碳固存”的鏈式調控機制，證實秸稈還田通過激發效應與更新效應的協同作用，推動光合碳向土壤穩定碳庫分配，且小型土壤動物在其中發揮核心調控作用。研究結果為優化保護性農業措施、提升農田土壤碳匯能力提供了關鍵的生物學依據，同時也為理解“地上—地下生態系統協同調控”機制提供了新視角。

該研究成果以“Stover return enhances the transformation and sequestration of photosynthetic carbon through regulating soil food web”為題，發表于SCI期刊《Journal of Cleaner Production》(Ⅰ區，影響因子10.0)。中國科學院沈陽應用生態研究所已畢業的田藝佳博士為第一作者，張曉珂研究員為通訊作者。中國科學院沈陽應用生態研究所梁文舉研究員和李琪研究員，東北師范大學寇新昌副教授以及沈陽農業大學安婷婷副教授和孫良杰老師也參與指導了該項工作。研究得到國家自然科學基金聯合基金項目(U22A20501)、國家重點研發計劃項目(2022YFD1500600)等項目的資助。